主动控制旋翼技术的一些新进展

李昊

直升机振动水平过高一直是直升机工业面临的最严峻的挑战之一。由于直升机非线性、非定常的气动力与旋翼桨叶之间的气动弹性耦合，旋翼在挥舞、摆振以及扭转方向产生了较大的振动，并由旋翼传递至机体，从而导致了直升机较大的整体振动和噪声水平。过高的振动水平不仅会引起机体结构的疲劳破坏，影响机载设备的正常工作，还有可能严重影响乘员的乘坐品质以及降低武器系统的使用效能。因此，对直升机振动水平的准确预估和有效控制一直是直升机从设计、研制到投入使用整个过程中必须考虑的重要问题。

主动控制旋翼由于能够使旋翼实现大幅度的减振降噪，目前已成为直升机减振降噪设计的重要发展方向。主动控制旋翼是指通过实时操纵直升机旋翼桨叶上的舵面或桨叶迎角，来降低桨叶振动、噪声水平，提升气动性能的旋翼技术。主动控制旋翼由于能够根据实时调整桨叶迎角，因而能够改善其在复杂变化的气动环境下的受力状况，从而起到减振降噪、改善气动性能的效果。目前主动控制旋翼的研究主要集中在高阶谐波控制（HHC）、独立桨叶控制（IBC）和主动后缘襟翼控制几个方面。

目前，世界上多个直升机制造商、科研机构和高校都在开展主动控制旋翼的相关研究，并取得了大量研究成果。下面介绍一些近年来值得关注的研究方向。

主动控制格尼襟翼技术

主动格尼襟翼是近年来主动控制旋翼技术研究的一个热点方向，其通过在桨叶后缘加装可实时控制的格尼襟翼，提高旋翼桨叶的气动性能。目前，包括密歇根大学、麻省理工、宾州州立大学、莱昂纳多直升机公司在内的多家高校、研究机构和工业部门都开展了这一领域的研究。

格尼襟翼是位于机翼后缘并与当地气流方向垂直地伸出表面的一块小板。它在增加升力的同时产生的附加阻力最小。在20世纪70年代早期，丹·格尼首先在一辆赛车的后风翼上安装了以他名字命名的装置以增加赛车的抓地力。格尼襟翼通常布置在机翼下表面后缘，伸出蒙皮的长度为1%~2%弦长长度。它能产生逆时针旋转的涡，同时增加下表面的压力并减少上表面的压力，从而导致升力的增加。这个逆时针旋转的涡有助于附面层在后缘的附着同时在付出极小阻力增量的前提下增加最大升力系数。

美国密歇根大学开展了针对主动格尼襟翼的研究，其设计并试验了一套格尼襟翼桨叶，襟翼尺寸约为弦长的1%~3%（可变），安装在桨叶后缘。该技术能够有效提高旋翼气动效率，其最大升力系数提高了约30%，同时通过控制襟翼运动，还能够降低桨叶振动和噪声水平。

研究者们对使用1.5%弦长主动格尼襟翼的旋翼在进速比为0.15状态下的噪声和振动水平进行了试验，对襟翼的控制则采用高阶谐波控制算法（HHC）。试验结果表明，双格尼襟翼桨叶能够降低前行和后行桨叶2dB噪声，4/rev垂直振动水平降低34%；5格尼襟翼构型能够降低3dB前行桨叶噪声和4dB后行桨叶噪声，4/rev振动水平降低55%；采用双后缘襟翼（20%弦长）构型的方案能够降低4/rev振动51%，但降噪效果不及格尼襟翼；格尼襟翼高度为桨叶弦长0.85%时，能够达到非常好的减振效果（89%），同时还能够减少2.3%的旋翼需用功率。

工业界方面，莱昂纳多直升机公司（原阿古斯塔-韦斯特兰公司）也在欧盟“洁净天空”计划支持下正在开展主动格尼襟翼技术的研究。该研究的主要目标是提高旋翼的气动效率，降低需用功率，从而降低全机的碳排放；此外，该技术还能够降低旋翼的噪声水平。其格尼襟翼位于叶片后缘98%弦长位置处的下表面，垂直于弦长方向，长度为弦长的2%。它可以折叠贴在叶片下表面，使用时打开，通常在一个旋转周期内收放一次。公司宣称，该技术能够使旋翼的气动性能提高3%~5%。2016年12月，莱昂纳多集团启动了该技术的地面试验，目前正在准备飞行试验。

针对CH-47的主动控制旋翼技术

CH-47“支奴干”纵列式重型直升机是美国波音公司于20世纪50年代研制的一型机型，在美国陆军中有很大的装备量，美军也在一直对该机进行现代化改型升级。为进一步提高CH-47的使用性能，波音公司近年来研究了一种用于CH-47旋翼的主动后缘襟翼，以提高旋翼气动性能，从而提升CH-47的航程和载荷，同时降低噪声和振动。该研究由陆军投资。研究的目标是降低CH-47振动水平90%，声学探测距离50%，并提高巡航效率（以单副旋翼系统升阻比作为考核指标）8%。

每片襟翼系统由5个部分组成，包括襟翼、作动器、曲柄、联动装置和外盖板。为避免影响桨叶气动外形，襟翼旋转机构应尽量设计在桨叶内部，但这需要为襟翼加装铝制梁结构，从而导致桨叶的整体刚度提高，影响桨叶在挥舞方向上的弯曲。因此最终将旋转机构设计在了桨叶外部。设计方案采用了技术成熟度、能量密度更高、重量更轻的电磁作动器，而不是压电作动器。技术验证模型的外盖板采用铝制盖板，但在全尺寸桨叶上则将换位钛合金，以提高刚度、抗腐蚀性和热传导率。

襟翼角度变化范围为±6°，控制频率为15Hz。波音公司通过其基于Phoenix Integration的ModelCenter软件开发的模型，对旋翼性能、振动和噪声水平进行优化改良，寻求最优的控制策略。根据波音公司的计算结果，这一技术能够有效地降低噪声和振动水平，同时提高旋翼性能。其在设定的2个飞行状态下（259km/h前飞速度、14.2吨起飞重量；259km/h前飞速度、24.1吨起飞重量），3/rev频率的振动水平降低了32.6%，噪声水平降低3.9%，整体气动性能提高6.9%。

DARPA“任务自适应旋翼”（MAR）

2010年上半年，美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）分别向波音公司、西科斯基公司和贝尔/波音公司倾转旋翼机研制团队授予了“任务自适应旋翼”（MAR）初始阶段研制合同。这项合同为期16个月，目标是开发出一套可在起飞前和飞行中改变形状的旋翼系统。该系统的旋翼可改变很多参数，包括长度、后掠角、弦长、翼型弧度、桨尖形状、扭转角、刚度、转速以及其他参数。

对旋翼机而言，自动改变旋翼外形使其适应各种飞行状态的技术是一个潜力巨大的发展方向。正如美国直升机协会（AHS）执行董事所说，这种主动旋翼技术是显著提升产品性能、降低旋翼震动和噪声的主要手段。MAR项目所取得的成果，将可满足美国防部提高旋翼机航程、速度、载荷以及安全性、生存性和经济可承受性的需求。

MAR的性能指标很有挑战性：与传统旋翼系统的飞行器相比，有效载荷提高30%、航程增加40%、声学可探测距离减少50%且振动降低90%。西科斯基公司称其研究的系统可像iPhone一样，通过点击触摸屏上的按钮即可选择低噪声、高机动性、平稳飞行或其他飞行模式。

波音公司基于该项目开发了一种可主动扭转，并有前/后缘主动襟翼的可变转速无自动倾斜器旋翼系统。其中，后缘襟翼的主要作用是降低噪声和振动水平，同时提高航程，输入频率最高为5/rev，由3个使用保形作动器技术（CAT）的压电作动器驱动。旋翼增升则通过前缘主动襟翼（VDLE）、格尼襟翼（GF）和后缘变弦长机构（TEP）实现。GF和TEP布置在桨叶后缘，最高作动频率为5/rev，TEP以准静态方式使用。桨叶主动扭转机构也采用准静态方式（静态扭转控制，STC）以提高悬停性能，波音公司还计划使用形状记忆合金（SMA）作动器控制桨叶扭转。无自动倾斜器旋翼控制通过桨叶主动扭转、变距机构实现。

波音公司在一架AH-64E上对其MAR旋翼进行了验证。其在试验桨叶上安装了4个TEF、2个VDLE、1个TEP和1个GF，以及一个桨叶扭转装置。从试验结果可以看出，不管是新研型号还是现役型号改型，加装MAR旋翼后，其振动和噪声水平均有大幅降低；现役机型加装MAR后也能够达到项目的载荷和航程提升目标。

德国宇航院多环自动倾斜器主动旋翼

主动控制旋翼桨叶的技术难点之一就是如何将驱动力和信号传递到高载荷、快速旋转的桨叶上的作动器上，以驱动襟翼或其他装置实现对单片桨叶的控制，并保证其可靠性。

为规避这一难题，德国航宇中心DLR最近开发了一个主动旋翼控制系统META，该系统并不需要在旋转部件上安装作动器，而是采用了多环的自动倾斜器实现，该技术具备实现6桨叶旋翼的单片桨叶独立控制的潜力。DLR称，META系统的优势包括无需向旋翼桨叶传递操纵所需的功率，作动器不用承受离心载荷等。该系统可应用在现有直升机上，作为机型翻新的一个途径。

传统的旋翼系统通过一个自动倾斜器，将飞行员的操纵转化为桨叶变距角的变化，操纵量首先传递到自动倾斜器的不动环上，再通过不动环传递到动环，最终通过动环上的变距拉杆转变为桨叶的扭转角变化。

而META系统则通过在一个自动倾斜器上使用2个独立控制的不动环，有效地将一个4桨叶旋翼解耦成2个独立的2桨叶旋翼，由外环和内环分别控制。每个自动倾斜器由3个电动/液压作动器操纵，作动器的电动部分负责飞行控制操纵；液压活塞的控制权限较低，但可以最高105赫兹的频率振动，结合META对桨叶控制的解耦，实现对每一片桨叶的高阶谐波控制（HHC），控制频率可达到旋翼旋转频率的2~6倍。

此外，META系统还能够在飞行中跟踪旋翼轨迹，并通过给2个自动倾斜器不同的总距和周期变距操纵，使2对桨叶的桨尖的空间运行轨迹错开，使得相邻的2片桨叶中，后面的桨叶不会通过前面桨叶形成的桨尖涡，从而降低旋翼的桨涡干扰噪声。

META第一阶段风洞试验于2015年9月在荷兰DNW大型低速风洞完成，试验使用了BO105和H145C2两个不同型号的4桨叶旋翼缩比模型。
试验结果表明，Bo105桨叶模型可降低4%功率需求，2/rev的HHC状态下降低75%振动水平，3/rev的HHC状态下降低4.5dB桨涡干扰噪声；而基础性能更好地FTK桨叶的需用功率降低3%，振动水平降低52%，桨涡干扰噪声降低3.9dB。

DLR称，试验验证了META具备完整的单片桨叶控制能力、单一频率高阶谐波控制、飞行中桨叶轨迹跟踪，以及通过操纵总距和周期变距实现相邻桨叶桨尖轨迹分离等预期的功能；并且其结果表明，即使是在当前的桨叶设计水平下，IBC的应用也能够显著地提高旋翼气动性能。

2017年7月，DLR再次宣布，他们和空客直升机公司联合开发的使用META技术的全尺寸5桨叶旋翼在风洞试验中表现良好。试验表明，META技术能够使近地飞行时的旋翼噪声降低最多3分贝或大约30%；而在高速飞行状态（270千米/时）下，旋翼需用功率降低大约5%。使用自适应控制时，旋翼引起的振动水平降低超过80%。

DLR称，使用5桨叶旋翼的挑战在于，两个自动倾斜器连接的桨叶数量不一致，这使得整个系统的动态控制更为复杂，难度比4桨叶或6桨叶旋翼系统更高。而这次试验的成功则进一步证明了META技术的普适性。

结语

目前，多家制造商、研究机构和高校都在开发各自的技术方案，一些技术已具备工程化应用的基础。此外，将主动控制旋翼技术扩展用于旋翼系统飞行控制的研究也在进行，研究者希望能够通过用后缘襟翼的主动控制来实现桨叶变距，以淘汰复杂、笨重的自动倾斜器。目前来看，主动控制旋翼已在试验中验证了其有效性，不仅能够显著降低旋翼的振动和噪声水平，还能够提高旋翼系统的气动效率，成为目前直升机旋翼技术发展的一个重点方向。